專利名稱：一種針對數(shù)字圖像的一維和二維碼圖形快速定位和提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖像處理方法，特別是采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)針對一維和二維條碼自動(dòng)檢測和快速提取的方法。它屬于條碼識別之前的預(yù)處理方法，能夠在拍攝的圖像中快速定位條碼區(qū)域，進(jìn)而利于快速分割和識別，以采用相應(yīng)的條碼識別算法，在統(tǒng)計(jì)意義下加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。
背景技術(shù)：
近年來社會(huì)的快速發(fā)展和進(jìn)步促使了一維和二維條碼為作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，是人、貨物和計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備之間的信息媒介。與其他識讀手段相比較，條碼技術(shù)具有成本低、使用方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的條碼識別設(shè)備采用激光掃描方式。但隨著可見光成像傳感器的成本越來越低，以及圖像信息無可比擬的豐富信息量，當(dāng)前的發(fā)展趨勢是采用基于可見光圖像技術(shù)的數(shù)字圖像傳感器，做為一維和二維條碼采集的低成本解決方案。另一個(gè)趨勢是，近年來各種二維條碼被逐漸重視，并開始應(yīng)用于各種帶有視頻功能的智能終端設(shè)備，例如專用的物流管理移動(dòng)終端或是智能手機(jī)。在條碼技術(shù)的使用過程中，首先確立需傳遞的信息邊編制相應(yīng)的條碼，；然后可將二維條碼打印在適合讀取的特定區(qū)域，如物品的外包裝上；在信息傳播過程中，二維碼作為信息的載體和傳輸接口，例如在物品的出庫、運(yùn)輸、分發(fā)、存儲、轉(zhuǎn)移等等環(huán)節(jié)，可以通過掃描讀取物品對應(yīng)的碼快速的獲取相關(guān)信息。在使用上，一維條碼存儲的數(shù)據(jù)量有限，因此依賴在線的數(shù)據(jù)庫連接以檢索詳細(xì)的代碼信息；而二維碼的信息存儲能力較強(qiáng)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選擇在線或者離線的使用。需強(qiáng)調(diào)的是，近年來?xiàng)l碼技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致條碼類型眾多，其標(biāo)準(zhǔn)各異。使用單一設(shè)備同時(shí)高效地讀取多種條碼，尤其是各種復(fù)雜的二維條碼，具有一定的技術(shù)難度。在通常處理中，按照各個(gè)條碼的國家標(biāo)準(zhǔn)，某種條碼類型的識別通過掃描并識別其定位圖形實(shí)現(xiàn)。然而，在同時(shí)處理多種條碼類型時(shí)，分別掃描多種條碼定位圖形的方式將涉及針對全副圖像的重復(fù)掃描，導(dǎo)致效率較低，識別速度變慢。這是因?yàn)椋艿脚臄z條件的不確定性影響，條碼圖形可能以各種尺度出現(xiàn)在數(shù)字圖像中的任意區(qū)域，因此必須要對圖像中的每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行窮舉的搜索，才能檢測可能存在的條碼圖形。數(shù)字圖像的信息量雖然豐富，但也導(dǎo)致處理效率不能忽視。在客觀需求上，需要有更高效和統(tǒng)一的條碼圖形檢測處理模式。如何同時(shí)處理多個(gè)條碼檢測，并未有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)給予指導(dǎo)。實(shí)際上，在任意的觀測圖像中判別有無某種條碼圖形是一個(gè)多分類問題，這在模式識別領(lǐng)域是一個(gè)公認(rèn)的難題。此外，由于條形碼掃描受方向和圖像畸變的影響較大；同時(shí)由于圖像采集的效果受到環(huán)境光照強(qiáng)弱及均勻程度的限制。然而實(shí)際使用過程的環(huán)境復(fù)雜多變，經(jīng)常出現(xiàn)二維條形碼被遮擋和污損的情況。這些實(shí)際情況都導(dǎo)致條碼類型檢測更加困難。因此，研制在實(shí)際的復(fù)雜環(huán)境下從觀測圖像中檢測二維碼圖形的快速方法，具有積極意義。在國內(nèi)到目前為止，尚未檢索到類似技術(shù)或相關(guān)專利。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種一維條碼和二維條碼快速定位和提取方法，以作為條碼類型識別的前期處理，解決同時(shí)識別多種條碼類型時(shí)窮舉式檢測導(dǎo)致識別速度低下的問題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種針對數(shù)字圖像的一維和二維碼圖形快速定位和提取方法，處理過程按照以下步驟進(jìn)行
1)、通過計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)讀取彩色圖像并轉(zhuǎn)化為灰度圖像；
2)、對灰度圖像進(jìn)行平滑去噪預(yù)處理；
3)、將灰度圖像進(jìn)行4個(gè)層次的尺度金字塔分解；
4)、對不同尺度的圖像信號計(jì)算上下包絡(luò)；
5)、計(jì)算不同尺度的圖像信號上下包絡(luò)的差異，將在不同尺度下的包絡(luò)差異進(jìn)行信息融合，得到灰度階整體差異 6)、用類間最大差異法計(jì)算灰度階整體差異圖中的顯著區(qū)域，并用計(jì)算所得閾值進(jìn)行二值化處理；
7)、對二值化之后的連通體區(qū)域采用提取算法進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)凸連通體的面積并排序，進(jìn)而獲得最大面積的凸連通體區(qū)域；如果該連通體的面積大于設(shè)定閾值，則可以認(rèn)為該區(qū)域是可能的一維碼和二維碼區(qū)域，并轉(zhuǎn)入步驟8);否則則認(rèn)為沒有檢測到一維碼和二維碼區(qū)域，轉(zhuǎn)入步驟11);
8)、計(jì)算最大面積凸連通體區(qū)域的幾何參數(shù)，包括外接矩形和擬合橢圓；
9)、對外接矩形區(qū)域采用局部分割方法對原始輸入的灰度圖像進(jìn)行二值化分割，并設(shè)置外接矩形區(qū)域之外的其他區(qū)域?yàn)榭瞻?，得到局部分割圖像，并應(yīng)用于后續(xù)的條碼信息識別；
10)、將獲得的二值化圖形傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行識別；若識別成功則開啟用戶提示功能，通知用戶并且將譯碼信息輸出到緩沖區(qū)；
11)、等待用戶指令，若接受到繼續(xù)指令則返回步驟I);否則進(jìn)入步驟12)；
12)、退出。本發(fā)明由三個(gè)主要的部分構(gòu)成具有提示和補(bǔ)光功能的視頻圖像采集部分，處理視頻圖像的一維和二維條碼提取的核心算法部分，負(fù)責(zé)和用戶交互的界面接口部分。視頻采集部分根據(jù)用戶指令，開啟攝像頭并按照固定幀率采集彩色視頻圖像；一維和二維碼檢測識別部分對攝像機(jī)采集的視頻圖像進(jìn)行掃描處理，提取并輸出其中的一維和二維條碼信息；人機(jī)交互部分接受到用戶的工作指令后，首先打開補(bǔ)光裝置提示用戶設(shè)備由休眠轉(zhuǎn)為開始工作，并用激光定位指示燈提示用戶掃描范圍，當(dāng)掃描成功后用蜂鳴器提示完成。三個(gè)部分分別包含了底層硬件和驅(qū)動(dòng)、核心處理算法軟件和上層人機(jī)交互軟件。本發(fā)明通過對觀測圖像信號的高頻成分的包絡(luò)進(jìn)行分析，提取在各尺度下上下包絡(luò)差異顯著的區(qū)域作為可能的條碼區(qū)域進(jìn)一步分析，對局部信息提取幾何參數(shù)和自適應(yīng)二值化，進(jìn)而將結(jié)果提供給后續(xù)的掃描模塊，從而根據(jù)黑白模塊的幾何關(guān)系采樣并譯碼輸出條碼存儲的息。本發(fā)明可以集成于專用的條形碼識讀設(shè)備，也可利用現(xiàn)有廣泛使用的嵌入式智能設(shè)備的視頻采集硬件設(shè)備資源，在視頻信號采集的基礎(chǔ)上對觀測到的一維碼和二維碼圖形進(jìn)行智能化的處理。相比于一維條碼的二維碼的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，本發(fā)明的有益效果在于
1、本發(fā)明可以適應(yīng)的一維碼或二維碼類型不受限制，甚至包括未知類型；
2、本發(fā)明可以適應(yīng)條碼在觀測中的角度或者尺度的大范圍變化；
3、本發(fā)明可以給出一維或二維條碼所在的感興趣區(qū)域R0I，并支持在感興趣區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行局部操作，以減少遍歷范圍，加快運(yùn)行速度；
4、本發(fā)明可以對條碼類型進(jìn)行粗略分類，以加速后續(xù)的識別過程；
5、本發(fā)明將圖像二值化集成到檢測環(huán)節(jié)，可有效增強(qiáng)效率；
6、本發(fā)明可以不存在復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，可使故障率更低；
7、本發(fā)明可以適應(yīng)復(fù)雜的背景和光照條件，對補(bǔ)光的要求降低，可以更適應(yīng)于更普通的移動(dòng)智能設(shè)備。本發(fā)明能適應(yīng)真實(shí)情況下的光照情況，例如光照不足、光照不均勻、背景雜亂等等，并且自動(dòng)檢測視頻流中的二維碼圖形，提取其幾何參數(shù)，再高效的局部轉(zhuǎn)化為二值化圖像，其中二維碼的深色條紋被處理為黑色，淺色條紋和背景被處理為白色。二值化圖像可供二維碼掃描模塊使用，以檢測其中的定位圖形。整個(gè)處理過程使用了若干加速算法，使實(shí)現(xiàn)過程比傳統(tǒng)方法的速度更高，同時(shí)不受版本、印刷尺寸和顏色的影響，且具有較高的抗噪聲和污損的能力的特點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明硬件連接方式說明圖。圖2-1和圖2-2分別是本發(fā)明處理總體流程圖和多分辨率自適應(yīng)閾值計(jì)算處理的流程圖。圖3-1是本發(fā)明視頻攝像機(jī)安裝示意圖。圖3-2是本發(fā)明視頻攝像機(jī)另一種安裝示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基本思想如下一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的一維條碼和二維條碼快速檢測方法，參見圖1，本發(fā)明主要由數(shù)字圖形傳感器、距離傳感器補(bǔ)光設(shè)備、定位指示設(shè)備和嵌入式計(jì)算機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動(dòng)數(shù)字?jǐn)z像頭直接讀取數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸給一維和二維碼的智能檢測模塊進(jìn)行以下檢測步驟
1)、讀取傳感器采樣的圖像；
2)、將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；
3)、對圖像進(jìn)行平滑去噪等預(yù)處理；
4)、對不同尺度的圖像信號計(jì)算上下包絡(luò)；
5)、計(jì)算不同尺度的圖像信號上下包絡(luò)的差異，將在不同尺度下的包絡(luò)差異進(jìn)行信息融合，得到灰度階整體差異 6)、用類間最大差異法計(jì)算灰度階整體差異圖中的顯著區(qū)域，并用計(jì)算所得閾值進(jìn)行二值化處理；7)、對二值化之后的連通體區(qū)域采用提取算法進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)凸連通體的面積并排序，進(jìn)而獲得最大面積的凸連通體區(qū)域；如果該連通體的面積大于設(shè)定閾值，則可以認(rèn)為該區(qū)域是可能的一維碼和二維碼區(qū)域，并轉(zhuǎn)入步驟8);否則則認(rèn)為沒有檢測到一維碼和二維碼區(qū)域，轉(zhuǎn)入步驟11);
8)、計(jì)算最大面積凸連通體區(qū)域的幾何參數(shù)，包括外接矩形和擬合橢圓等；
9)、對外接矩形區(qū)域采用局部分割方法對原始輸入的灰度圖像進(jìn)行二值化分割，并設(shè)置外接矩形區(qū)域之外的其他區(qū)域?yàn)榭瞻?，得到局部分割圖像，可應(yīng)用于后續(xù)的條碼信息識別； 10)、將獲得的二值化圖形傳輸給掃描檢測裝置進(jìn)行識別；若識別成功則開啟用戶提示功能，通知用戶并且將譯碼信息輸出到緩沖區(qū)；
11)、等待用戶指令，若接受到繼續(xù)指令則返回步驟I);否則進(jìn)入步驟12)；
12)、退出。步驟I)開始前，補(bǔ)光設(shè)備開始補(bǔ)光，定位指示設(shè)備提示掃描范圍，并用距離傳感器檢測觀測內(nèi)容是否在IOcm-30cm的適當(dāng)距離范圍內(nèi)，如果距離適合，則轉(zhuǎn)入步驟I)(該適當(dāng)距離范圍是指條碼槍適用使用距離為IOcm-30cm)。補(bǔ)光設(shè)備為環(huán)形設(shè)置的多個(gè)LED補(bǔ)光燈。在以上各步驟中，中心思想是采用紋理的方式判別疑似一維碼和二維碼區(qū)域，因?yàn)橐痪S碼和二維碼的區(qū)域總是存在高頻率的深色和淺色變換，并且深色和淺色的比例相近。若成功判斷存在二維碼，則采取多分辨率提取一維碼或二維碼圖形區(qū)域。由于自適應(yīng)的多分辨率處理，一維碼或二維碼的紋理通常在較大尺度下已經(jīng)表現(xiàn)突出，因此不必對整個(gè)圖像進(jìn)行窮舉搜索，計(jì)算復(fù)雜度大為降低，加速了一維碼和二維碼檢測提取過程(參見圖2-1、圖2-2)。因此，快速判斷觀測圖像中是否有一維碼和二維碼圖形并快速分割的意義在于，可以改善檢測識別的速率。首先判斷場景中是否有一維碼和二維碼的計(jì)算代價(jià)比較小，如果觀測圖像中沒有一維碼和二維碼，則可回避后續(xù)無用的操作，直接循環(huán)處理下一幀圖像。其次，如果場景中有一維碼和二維碼，則需對一維碼和二維碼圖形區(qū)域進(jìn)行提取。此時(shí)的關(guān)鍵要求不是處理速度快，而是盡量準(zhǔn)確獲得高質(zhì)量的分割圖像，進(jìn)而減少掃描譯碼模塊嘗試的次數(shù)。換而言之，盡管高質(zhì)量的分割過程會(huì)適當(dāng)增加運(yùn)算量，但由于提高了命中率，因此從全局看仍然是提高了識別速率。由于我們還采用了局部高精度二值化的方法，因此使可計(jì)算負(fù)擔(dān)進(jìn)一步降低。硬件列表如下
名稱_型號_
數(shù)字?jǐn)z像機(jī) LogitechC160_
鏡頭等效于135相機(jī)的85mm光學(xué)鏡頭—
顯示屏7，WVGATouchscreenLCDdisplay (add-onmodule) 2LVDSconnectors
嵌入式計(jì)算機(jī)Freescalei. MX51EVK
補(bǔ)光裝置 LED環(huán)形補(bǔ)光燈—
用戶提示裝置蜂鳴器距離傳感器 Hyesmms 103H
定位指示設(shè)備I綠色LED燈和聚光棱鏡—
攝像機(jī)參數(shù)說明(參見圖3-1、圖3-2):攝像機(jī)成像效果主要受感光芯片和鏡頭兩方面影響。其中，感光芯片可采用C⑶芯片也可用CMOS芯片，需盡量采用較大尺寸，以降低成像噪聲和提高動(dòng)態(tài)范圍。鏡頭采用定焦鏡頭，焦距采用等效于135相機(jī)的85mm光學(xué)鏡頭，以使拍攝QR碼的距離和使用習(xí)慣相符合。鏡頭無需自動(dòng)對焦，只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)木吧罘秶?，使手持或定位掃描時(shí)，QR的圖像正好在鏡頭的精神范圍之內(nèi)。攝像機(jī)的感光芯片、鏡頭需相對固定，整合到一起。硬件連接說明攝像機(jī)鏡頭通過固定裝置保持與攝像頭感光芯片的相對位置恒定。感光芯片的信號通過內(nèi)置的AD變換后輸出給一維碼和二維碼檢測計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)連接并控制補(bǔ)光設(shè)備和定位設(shè)備，同時(shí)顯示屏和蜂鳴器也通過插槽連接至計(jì)算機(jī)。
圖3-1示出，攝像頭2安裝在移動(dòng)計(jì)算機(jī)I前部。圖3-2示出，攝像頭3安裝在工作臺4的頂板上，臺式計(jì)算機(jī)5安裝在工作臺的支架側(cè)面上。
權(quán)利要求
1.一種針對數(shù)字圖像的一維和二維碼圖形快速定位和提取方法，其特征是，處理過程按照以下步驟進(jìn)行 1)、通過計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)讀取彩色圖像并轉(zhuǎn)化為灰度圖像； 2)、對灰度圖像進(jìn)行平滑去噪預(yù)處理； 3)、將灰度圖像進(jìn)行4個(gè)層次的尺度金字塔分解； 4)、對不同尺度的圖像信號計(jì)算上下包絡(luò)； 5)、計(jì)算不同尺度的圖像信號上下包絡(luò)的差異，將在不同尺度下的包絡(luò)差異進(jìn)行信息融合，得到灰度階整體差異圖； 6)、用類間最大差異法計(jì)算灰度階整體差異圖中的顯著區(qū)域，并用計(jì)算所得閾值進(jìn)行二值化處理； 7)、對二值化之后的連通體區(qū)域采用提取算法進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)凸連通體的面積并排序，進(jìn)而獲得最大面積的凸連通體區(qū)域；如果該連通體的面積大于設(shè)定閾值，則可以認(rèn)為該區(qū)域是可能的一維碼和二維碼區(qū)域，并轉(zhuǎn)入步驟8);否則則認(rèn)為沒有檢測到一維碼和二維碼區(qū)域，轉(zhuǎn)入步驟11)； 8)、計(jì)算最大面積凸連通體區(qū)域的幾何參數(shù)，包括外接矩形和擬合橢圓； 9)、對外接矩形區(qū)域采用局部分割方法對原始輸入的灰度圖像進(jìn)行二值化分割，并設(shè)置外接矩形區(qū)域之外的其他區(qū)域?yàn)榭瞻?，得到局部分割圖像，并應(yīng)用于后續(xù)的條碼信息識別； 10)、將獲得的二值化圖形傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行識別；若識別成功則開啟用戶提示功能，通知用戶并且將譯碼信息輸出到緩沖區(qū)； 11)、等待用戶指令，若接受到繼續(xù)指令則返回步驟I);否則進(jìn)入步驟12)； 12)、退出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種針對數(shù)字圖像的一維和二維碼圖形快速定位和提取方法，其特征是，所述步驟I)開始前，補(bǔ)光設(shè)備開始補(bǔ)光，定位指示設(shè)備提示掃描范圍，并用距離傳感器檢測觀測內(nèi)容是否在IOcm-30cm的適當(dāng)距離范圍內(nèi)，如果距離適合，則轉(zhuǎn)入步驟I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種針對數(shù)字圖像的一維和二維碼圖形快速定位和提取方法，其特征是，所述補(bǔ)光設(shè)備為環(huán)形設(shè)置的多個(gè)LED補(bǔ)光燈。
全文摘要
一種針對數(shù)字圖像的一維和二維碼圖形快速提取方法，本發(fā)明通過對觀測圖像信號的高頻成分的包絡(luò)進(jìn)行分析，提取在各尺度下上下包絡(luò)差異顯著的區(qū)域作為可能的條碼區(qū)域進(jìn)一步分析，對局部信息提取幾何參數(shù)和自適應(yīng)二值化，進(jìn)而將結(jié)果提供給后續(xù)的掃描模塊，從而根據(jù)黑白模塊的幾何關(guān)系采樣并譯碼輸出條碼存儲的信息。本發(fā)明所需設(shè)備相對簡單，可適應(yīng)復(fù)雜的背景和光照條件，在視頻信號采集的基礎(chǔ)上對觀測到的一維碼和二維碼圖形進(jìn)行快速智能化處理。
文檔編號G06K7/10GK102682267SQ20121015735
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者唐鵬, 王俊峰, 陳懿, 高志剛, 高琳 申請人:四川大學(xué)